基于plc的恒压供水系统的设计
（恒压供水系统的原理及电气控制要求。Plc在机电系统中的应用和工作原理。西门子变频器的工作原理MM440。Plc编程原理及程序设计方法。电器原理图，接线图。）
一．恒压供水系统的原理
1．系统介绍
生产生活中的用水量常随时间而变化，季节、昼夜相差很大。用水和供水的不平衡集中体砚在水压上，用水多而供水少则水压低，用水少而供水多则水压高。以前大多采用传统的水塔、高位水箱 或气压罐式增压设备 容易造成二次污染，同时也增大了水泵的轴功率和能量损耗。随着电力电子技术的发展 变频调速技术广泛应用于送水泵站、加压站、工业给水、小区和高楼供水等供水等领域.相对于传统的技术而言，它具有节能效益明显、保护功能完善 、控制灵活方便等优点 。
恒压供水控制系统的基本控制策略是：采用电动机调速装置与可编程控制器（PLC）构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行,并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控
制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是总管的出水压力及系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速,从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。
恒压供水系统由PLC控制器,变频器，触摸屏显示器，压力变送器，水位变送器，软启动器,水泵电机组，电机保护装置以及其他电控设备等构成，如图1所示。
压力变送器
水位变送器
PLC
变频器
触摸屏显示器
软启动器
控制回路
水泵电机
电机保护装置
水 压
水 位
图1 恒压供水系统示意图
2．系统构成
系统采用了 S7-200型 PLC (14个输人点，10个输出点）、MM440型变频器、压力传感器及其他控制设备。系统构成如图2所示。
用户管网
PLC
S7-200
控制
设备
1#泵
压力传感器
变频器M440
2#泵
3#泵
图2 系统构成图
压力传感器将用户管网水压信号变成电信号(4一20mA)，送给变频器内部PID控制器，PID控制器根据压力设定值与实际检测值进行 PID运算，并给出信号控制水泵电动机的电压和频率。当用水量较少时，1＃泵在变频器控制下变频运行.如需水量加大,压力传感器在管网端测的水压偏小,则变频器输出频率上升，直到50Hz。这时1#泵由变频切换为工频运行状态.同时系统对 2#泵进行变频起动和调节。如果两台泵供水仍不能满足供水要求，则系统将2＃泵投人工频进行，将3#泵投人变频运行.供水量增大，加泵情况依次类推。如用水量减少，变频器的频率会下降。当变频器频率下降至下限值时，PLC将最先工频运行的水泵停掉如果频率下限值仍持续出现，PLC再停止第2台工频运行的水泵。系统按先开起的泵先切除的顺序逐台切换泵，以维持管网水压恒定。
3．系统原理
系统控制原理结构如图3：压力传感器从供水管网反馈电压信号，电压信号经过滤波放大后送到s7-200的模拟输入口，与给定的供水压力信号比较形成压力偏差信号，经过PLC(s7-200）PID模块PI调节后发出控制电压信号,送到变频器MM440的模拟电压信号与连接到变频器MM440的三相交流电的频率一一对应，调节控制电压信号就可以调节三相交流电的频率。系统是以供水管网的供水压力为控制对象而构成的闭环控制系统，其设计是按照三个电机就可以完全满足供水要求。
压力传感器
反馈压力信号
不同频率
三项交流电
模拟
电压信号
压力
偏差信号
给定
压力信号
PI调节
MM440
异步电机
供水管网
滤波放大
图 3系统闭环控制原理框图
系统中采用了数字 PID控制技术，使PID的参数整定和调整实现在线控制，通过对系统压力的检测,根据水压的大小使系统分时操作。实现系统了快速、稳定的输出。将管网的实际压力经反馈后送到比较器的愉人端与给定压力进行比较，当管网压力不足时，通过对参数运算，调整PID的参数，控制电压上升,使频率相应增大，水泵转速加快,供水量加大，近而使管网压力上升.反之，水泵转速减慢,供水量减少，近而使管网压力下降，如果单泵在调节范围内不能达到管网压力要求时，可以依靠增加或减少水泵数量来保持恒压供水的稳定.
二、系统构成及控制原理   
系统由西门子变频器MM440、3台供水水泵、可编程控制器西门子S7 - 200 及主控开关等组成。变频器是调速核心设备, 其主要作用是通过改变输出电源频率而对电机、水泵实现无级调速，达到随用水量变化而自动调节电机、水泵转速, 使管网保持恒压的目的。可编程控制器为控制系统主控器件， 控制系统自动运行, 1＃泵、2＃泵、3#泵3台泵将轮换循环作变频泵变频运行, 从而每台泵的工作时间与休息时间都大致相同， 每台泵都有充足的休息时间,降低了设备的故障率.同时可切换3台水泵至市电直接供电运行, 3台泵轮换循环方式下所示:
运行24h
运行24h
1＃泵变频（ 3＃变频器恒压供水泵工频备自投）          2#泵变频( 1＃泵工频备自投）          3＃泵变频（ 2＃
运行24h
泵工频备自投)           1#泵变频( 3#泵工频备自投）.
3台水泵电机分别为M1、M2、M3，VVVF为西门子变频器MM440,接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的变频运行，KM2、KM4、KM6接触器分别控制M1、M2、M3的直接市电供电运行,KH1、KH2、KH3分别为控制3台水泵电机过载保护用的热继电器,QF1、QF2、QF3、QF4分别为变频器和3台水泵电机主电路的空气开关。系统控制原理线路图如图4.
                            图4 系统控制原理线路图
PLC控制的恒压供水泵站实例
以下介绍一个三泵生活/消防双恒压无塔供水的实例。如图5所示，市网自来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀YV1,自动把水注满储水水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱注水。水池的高/低水位信号也直接送给PLC，作为低水位报警。为了保证供水的连续性，水位上下限传感器高地距离较小。生活用水和消防用水共用三台泵，平时电磁阀YV2处于失电状态，关闭消防管网，三台泵根据生活用水的多少,按一定的控制逻辑运行，使生活供
水在恒压状态（生活用水低恒压值）下进行。当有火灾发生时,电磁阀YV2得电，关闭生活用水管网，三台泵供消防用水使用,并根据用水量的大小，使消防供水也在恒压状态（消防用水高恒压值）下进行。火灾结束后，三台泵再改为生活供水使用。
图5 恒压供水系统构成图
一、系统控制要求
对三泵生活/消防双恒压供水系统的基本要求是：
（1）生活供水时，系统应保持低恒压值运行，消防供水时系统应保持高恒压值运行。
（2）三台泵根据恒压的需要,采取“先开先停”的原则接入和退出。
（3）在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行时间超过3h，则要切换下一台泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台泵工作时间过长。
（4）三台泵在启动时都要有软启动功能。
（5）要有完善的报警功能。
（6）对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。
二、控制系统的I/O及地址分配
根据图5及以上控制要求统计控制系统的输入/输出信号的名称，代码及地址编号如表1所示。水位上下限信号分别为I0.1、I0。2,它们在水淹没时为0，露出时为1。
表1 输入/输出点代码及地址编号
名称
代码
地址编号
输入信号
手动和自动消防信号
SA1
I0.0
水池水位下限信号
SLL
I0。1
水池水位上限信号
SLH
I0。2
变频器报警信号
SU
I0。3
消铃按钮
SB9
I0。4
试灯按钮
SB10
I0.5
远程压力表模拟量电压值
UP
AIW0
输出信号
1＃泵工频率运行接触器及指示灯
KM1,HL1
Q0.0
1#泵变频率运行接触器及指示灯
KM2,HL2
Q0.1
2#泵工频率运行接触器及指示灯
KM3,HL3
Q0.2
2＃泵变频率运行接触器及指示灯
KM4,HL4
Q0。3
3#泵工频率运行接触器及指示灯
KM5，HL5
Q0.4
3#泵变频率运行接触器及指示灯
KM6,HL6
Q0。5
生活/消防供水转换电磁阀
YV2
Q1.0
水池水位下限报警指示灯
HL7
Q1.1
变频器故障报警指示灯
HL8
Q1。2
火灾报警指示灯
HL9
Q1。3
报警电铃
HA
Q1.4
变频器频率复位控制
KA
Q1。5
控制变频器频率用电压信号
UF
AQW0
三、PLC控制系统选型
从上面分析可知，控制系统共有开关量输入点6个，开关量输出点12个；模拟量输入点1个，模拟量输出点1个。如果选用CPU224PLC，需要扩展单元；如果选用CPU226PLC，则价格较高，浪费较大.参照西门子S7-200产品目录及市场实际价格，选用主机为CPU222（8入/6继电器输出）一台,加上一台扩展模块EM222（8继电器输出），再扩展一个模拟量模块EM235（4AI/1AO)，这样的配置是比较经济的。整个PLC系统的配置如图6所示。
扩展单元
EM 222
8点继电器
主机单元
CPU 222
AC/DC继电器
模拟量单元
EM 235
4AI/1AO
图6 PLC控制系统组成
四、电气控制系统原理图（1）主电路图    图7所示为电控系统主电路.三台电动机分别为M1、M2、M3。接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行；接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的变频运行,FR1、FR2、FR3分别为三台水泵电动机过载保护用的热继电器；QS1、QS2、QS3、QS4分别为变频器和三台水泵电动机主电路的隔离开关；FU1为主电路的熔断器，VVVF为简单的一般变频器。
图7 电气控制系统主电路
(2)控制电路图    图8所示为电控系统控制电路图。图中SA为手动/自动转换开关，SA打在1的位置时为手动控制状态；打在2位置时为自动控制状态.手动运行时,可用按钮SB1~SB8控制三台泵的起/停和电磁阀YV2的通断;自动运行时,系统在PLC程序控制下运行。    图中的HL10为自动运行状态电源指示灯。对变频器频率进行复位时只提供一个干触点信号,由于PLC的4个输出点为一组,共用一个COM端而本系统又没有剩下单独的COM端输出组，所以通过一个中间继电器KA的触电对变频器进行复频控制。图中的Q0。0～Q0.5及Q1.0~Q1.5为PLC的输出继电器触电，它们旁边的4、6、8等数字为接线编号,可结合图9一起读图。
图8 电气控制系统控制电路
(3)PLC外围接线图    图9所示为PLC及扩展模块外围接线图。火灾时，火灾信号SA1被触动，I0。0为1。本设计方案在实际使用时还必须考虑许多其他因素，这些因素主要包括：
①直流电源的容量。
②电源方面的抗干扰措施。
③输出方面的保护措施。
④系统保护措施。